Tutor Trainer # 2

กำเนิดใหม่ Tutor Trainer ภาค 2 (เป็นเครื่องบินไฟฟ้าแล้วครับ)

หลังจากที่เคยทำเครื่องบิน Tutor Trainer ในแบบกระป๋องมาแล้ว ต่อมาผมก็มองหาเครื่องบินที่จะมาเป็นเครื่องบินฝึกสักลำ โดยจะต้องสร้างได้ง่ายๆ เร็วๆ น้ำหนักน้อย ดูไป ดูมา ก็เห็นเครื่อง Tutor Trainer นี้แหละครับ ที่เหมาะสมที่สุด เพราะรูปทรงที่ง่ายต่อการสร้าง การตัด และการประกอบ

รอบนี้ได้มอเตอร์ Mabushi 380 และชุดเกียร์ของสนามบินมีน มา เลยอยากทดสอบกับเครื่องบินดูว่าจะเป็นอย่างไร เพราะก่อนหน้านี้ผมเล่นแต่ขับตรง

งานนี้ผมใช้ Motocal ประกอบตลอด เพราะว่าจะได้ช่วยในการตัดสินใจในหลายๆ เรื่อง ไม่ว่าจะเป็นชุดเกียร์ที่ได้มา ว่ามีอัตราที่เหมาะสมไหม จำนวนถ่าน น้ำหนักเครื่อง... แต่ผมก็ไม่ได้เป็นผู้ชำนาญนัก ทำไปเท่าที่พอจะรู้ ผิดถูกอย่างไร รบกวนผู้รู้ช่วยชี้แนะด้วยครับ

ในการทำเครื่องบิน ผมจะจดน้ำหนักของอุปกรณ์ต่างๆ ไว้ เพื่อให้เราสามารถทำนายได้ว่า เครื่องบินที่เราทำเสร็จ จะมีน้ำหนักสักเท่าไหร่ และที่สำคัญคือ เราจะหาทางลดน้ำหนักตรงไหนได้อีก ซึ่งเราสามารถดูได้จากน้ำหนักที่เราจดๆ ไว้ ว่าน้ำหนักตรงไหน มากน้อยเท่าไหร่

ส่วนใหญ่หากเป็นอุปกรณ์ ก็จะไม่สามารถลดอะไรได้อีก นอกจากซื้อใหม่ เป็นพวกไมโคร ก็คงเหลือแต่พวกที่เราสร้างเอง ที่จะลดน้ำหนักได้ เช่น ปีก ลำตัว

จากน้ำหนักประมาณการที่เราได้ จะทำให้เรามาประมาณขนาดเครื่องที่ต้องการ โดยดูว่าเราต้องการให้ได้ wing load มากน้อยแค่ไหน จะทำให้เราได้พื้นที่ของปีกออกมา งานนี้ผมไม่ต้องการให้ wing load เกิน 8 Oz/ft2 และผมลองดูขนาดเดิมที่เคยทำ ก็ได้ประมาณ 320 ตร.นิ้ว คิดออกมาแล้วประมาณ 7.65 Oz/ft2 ครับ หาก wing load ยิ่งน้อยกว่านี้ ยิ่งบินง่ายครับ แต่เราจะไปเพิ่มพท. ปีกมากๆ เครื่องบินเราก็จะใหญ่เทอะทะเกินไป

ในการติดตั้งอุปกรณ์ก็ทำง่ายๆ เลยครับ เช่น servo 2 ตัว ผมก็เอากาว UHU Por ทาแล้วติดข้างลำตัวเลยครับ แน่นหนาดี แต่ก็สามารถแกะออกได้ภายหลัง ส่วน receiver นั้นผมใช้ก็อบแก็บติดเอาครับ เพราะถอดได้สะดวกดี

แนวทางในการทำเครื่องบิน เดิมนั้นผมจะพยายามเน้นทำให้เครื่องบินแข็งแรง เพราะกลัวว่ามันจะตกแล้วพังเร็ว แต่เคยอ่านจากบทความ เขาแนะนำว่า ควรสร้างให้เบาไว้ก่อนดีกว่า โดยแข็งแรงเพียงพอสำหรับ Hard Landing เท่านั้น ไม่ใช่ Crash ซึ่งหมายความว่า ยังไงหากตก ก็พังอยู่ดี สู้ให้เครื่องเบาไว้ก่อน จะทำให้บินได้ง่ายกว่า ในรอบนี้ผมก็เลยลดน้ำหนักให้มากที่สุด เท่าที่จะทำได้ โดยไม่เน้นความแข็งแรงมากนัก ซึ่งก็ทำให้ลดน้ำหนักไปได้หลายสิบกรัมอยู่

ขั้นต้นมาทำเรื่อง Static Analysis ก่อนเรื่องแรก ผมก็ทดสอบเรื่องเกียร์ก่อน เพราะเป็นขุมพลังสำหรับเครื่องบินลำนี้ โดยผมได้ทดลองใส่ค่าต่างๆ ดังนี้

โดยผมเลือกมอเตอร์ ถ่านที่ 7 ก้อน และใบพัด จุดสำคัญคือ กำหนด Gear ratio ซึ่งให้ไล่ตั้งแต่ 1 - 8 เลย โดยขยับที่ละ .25 ครับ แล้วผลที่ได้คือ

จากกราฟ จะเห็นว่าอัตรทดที่เหมาะสมที่ให้แรงฉุดสูงสุดคือ 2 ซึ่งก็เหมาะสมกับชุดเฟืองที่ได้มา คือ 2.1 เป็นอันว่าระบบ Gear เขาจัดให้มาดีแล้วครับ ไม่ต้องไปปรับเปลี่ยนอะไรอีก และเขาก็ให้มาในอัตราส่วนที่ไม่ลงตัว แบบที่คุณสมภพเคยแนะนำว่า อัตราทดไม่ควรลงตัว เพื่อที่จะไม่ทำให้เฟืองสึกซ้ำๆ ที่เดิม

ต่อไปก็เรื่องจำนวนถ่าน เพราะผมก็สงสัยว่าระหว่างถ่านน้อยๆ ก้อน ที่ทำให้เครื่องน้ำหนักเบา แต่ก็ได้แรงฉุดที่ลดลง กับการเพิ่มถ่านที่ได้แรงฉุดมากขึ้น แต่น้ำหนักก็เพิ่มด้วย แล้วถ่านจำนวนเท่าใดจึงจะเหมาะสม คือ ให้แรงฉุด/น้ำหนักดีที่สุด

จากกราฟ ผมให้เริ่มจากถ่าน 5 ก้อน (NC, Number of Cells) จนถึง 20 ก้อนครับ จะเห็นว่าการเพิ่มถ่าน จะได้แรงฉุดเพิ่มขึ้นในอัตราที่สูงกว่าน้ำหนักถ่านที่เพิ่มขึ้น ในช่วง 5-10 ก้อน (ดูจากความชันของกราฟ) แต่พอเริ่มมากไปกว่านี้ แรงฉุดที่ได้ ไม่ค่อยเพิ่มแล้ว แต่น้ำหนักยังเพิ่มเหมือนเดิม แต่การจะเพิ่มถ่านเข้าไปได้มากแค่ไหน ยังมีปัจจัยอื่นๆ อีกครับ เช่น ความร้อนของมอเตอร์ พื้นที่ในตัวเครื่องบินของเรา กำลังทรัพย์ในการซื้อถ่าน...

In-Flight Analysis

ต่อไปจะมาดูว่า ในการบินที่ถ่านจำนวนต่างๆ กัน จะได้ผลต่อการบินเป็นอย่างไร ทั้งนี้เพื่อให้เราเลือกจำนวนถ่านที่เหมาะสม กับเครื่องบินและมอเตอร์ของเรา

จะเริ่มดูตั้งแต่ถ่าน 6 ก้อน จนถึง 8 ก้อนครับ

MotOpinion - SuperCub 380
Sea Level, 29.92inHg, 68ฐF

Motor: Mabuchi RS-380SH-4045; 2305rpm/V; 0.5A no-load; 0.341 Ohms.
Battery: Sanyo 600AA; 6 cells; 600mAh @ 1.2V; 0.012 Ohms/cell.
Speed Control: Generic High Rate ESC; 0.003 Ohms; High rate.
Drive System: MAS; 9x6 (Pconst=1.31; Tconst=0.95) geared 2.1:1 (Eff=95%).
Airframe: SuperCub 380; 308sq.in; 16oz; 7.5oz/sq.ft; Cd=0.057; Cl=0.61; Clopt=0.68; Clmax=1.24.
Stats: 40 W/lb in; 23 W/lb out; 13mph stall; 17mph opt @ 62% (25:45, 81ฐF); 18mph level @ 65% (23:24, 81ฐF); 334ft/min @ 12.8ฐ; -138ft/min @ -5.2ฐ.

Power System Notes:

• The full-throttle motor current at the best lift-to-drag ratio airspeed (5.5A) falls between the motor's maximum efficiency current (3A) and its current at theoretical maximum output (9.1A), thus making effective use of the motor. ยังกินกระแสน้อยไป

Possible Aerodynamic Problems:

• The static pitch speed (28mph) is less than 2.5 times the stall speed (13mph), which may result in reduced performance at typical flying speeds and a low maximum speed. This situation is usually acceptable for an electric sailplane or other slow-flying model.
• Pitch speed can be increased by using a higher pitched and/or smaller diameter propeller, a lower gear ratio, a higher cell count, or some combination of these methods. ควรเพิ่มถ่าน ลดอัตราทดเกียร์ หรือลดขนาดใบพัดลง

Aerodynamic Notes:

• With a wing loading of 7.5oz/sq.ft, a model of this size will have very sedate flying characteristics. It will be suitable for relaxed flying, in calm or very light wind conditions.
• The static thrust (7.5oz) to weight (16oz) ratio is 0.47:1, which will result in medium length take-off runs, and no difficulty taking off from grass surfaces (assuming sufficiently large wheels). ใช้ระยะทางวิ่งยาวปานกลาง
• At the best lift-to-drag ratio airspeed, the excess-thrust (3.4oz) to weight (16oz) ratio is 0.21:1, which will give good climbs and acceleration. This is a good in-flight thrust to weight ratio for a basic trainer. อัตราการไต่และเร่งดี สำหรับเป็นเครื่องฝึกได้

สำหรับถ่าน 6 ก้อนนั้น จะพบว่าเครื่องจะบินไม่ค่อยดีนัก มอเตอร์กินกระแสเพียง 5.5 แอมป์ ซึ่ง 380 นั้น ควรจะกินได้เกือบประมาณ 10 แอมป์ แม้ว่าน้ำหนักเครื่องจะน้อย เพราะใช้ถ่านเพียง 6 ก้อน แต่ก็ไม่ได้แปลว่าจะทำให้บินได้ดี ระยะทางสำหรับ take-off นั้น ใช้ระยะปานกลาง และแรงยกต่อแรงฉุด ดีพอสมควร

Motor: Mabuchi RS-380SH-4045; 2305rpm/V; 0.5A no-load; 0.341 Ohms.
Battery: Sanyo 600AA; 7 cells; 600mAh @ 1.2V; 0.012 Ohms/cell.
Speed Control: Generic High Rate ESC; 0.003 Ohms; High rate.
Drive System: MAS; 9x6 (Pconst=1.31; Tconst=0.95) geared 2.1:1 (Eff=95%).
Airframe: SuperCub 380; 308sq.in; 16.8oz; 7.9oz/sq.ft; Cd=0.057; Cl=0.61; Clopt=0.68; Clmax=1.24.
Stats: 52 W/lb in; 29 W/lb out; 13mph stall; 18mph opt @ 55% (27:54, 81ฐF); 19mph level @ 57% (26:26, 82ฐF); 444ft/min @ 16.7ฐ; -141ft/min @ -5.2ฐ.

Power System Notes:

• The full-throttle motor current at the best lift-to-drag ratio airspeed (6.8A) falls between the motor's maximum efficiency current (3.1A) and its current at theoretical maximum output (9.9A), thus making effective use of the motor. เริ่มกินกระแสมากขึ้นกว่าเดิม แต่ยังไม่มากนัก

Possible Aerodynamic Problems:

• The static pitch speed (31mph) is less than 2.5 times the stall speed (13mph), which may result in reduced performance at typical flying speeds and a low maximum speed. This situation is usually acceptable for an electric sailplane or other slow-flying model.
• Pitch speed can be increased by using a higher pitched and/or smaller diameter propeller, a lower gear ratio, a higher cell count, or some combination of these methods.

Aerodynamic Notes:

• With a wing loading of 7.9oz/sq.ft, a model of this size will have very sedate flying characteristics. It will be suitable for relaxed flying, in calm or very light wind conditions.
• The static thrust (9.1oz) to weight (16.8oz) ratio is 0.54:1, which will result in short take-off runs, and no difficulty taking off from grass surfaces (assuming sufficiently large wheels). ใช้ระยะทางวิ่งขึ้นสั้น
• At the best lift-to-drag ratio airspeed, the excess-thrust (4.8oz) to weight (16.8oz) ratio is 0.28:1, which will give strong climbs and rapid acceleration. This model will most likely readily loop from level flight, and have sufficient in-flight thrust for many aerobatic maneuvers.ทำลูปได้จากการบินแนวระดับเลย

พอเป็น 7 ก้อน ก็กินกระแสเยอะขึ้น แต่ static pitch speed ยังไม่มากเท่าที่ควร ยังคงแนะนำให้เราเพิ่มอีก (เช่น โดยเพิ่มถ่าน) แต่คราวนี้ระยะ take-off จะสั้น และ แรงยกต่อแรงฉุด ได้อัตราส่วนดีกว่าเดิม โดยจะสามารถทำ loop ได้จากการบินแนวระดับ

Motor: Mabuchi RS-380SH-4045; 2305rpm/V; 0.5A no-load; 0.341 Ohms.
Battery: Sanyo 600AA; 8 cells; 600mAh @ 1.2V; 0.012 Ohms/cell.
Speed Control: Generic High Rate ESC; 0.003 Ohms; High rate.
Drive System: MAS; 9x6 (Pconst=1.31; Tconst=0.95) geared 2.1:1 (Eff=95%).
Airframe: SuperCub 380; 308sq.in; 17.6oz; 8.2oz/sq.ft; Cd=0.057; Cl=0.61; Clopt=0.68; Clmax=1.24.
Stats: 64 W/lb in; 34 W/lb out; 13mph stall; 18mph opt @ 50% (29:11, 82?F); 19mph level @ 52% (27:17, 83?F); 537ft/min @ 19.8?; -145ft/min @ -5.2?.

Power System Notes:

• The full-throttle motor current at the best lift-to-drag ratio airspeed (7.8A) falls between the motor's maximum efficiency current (3.2A) and its current at theoretical maximum output (10.5A), thus making effective use of the motor. กินกระแสได้มากพอสมควรแล้ว
  

Aerodynamic Notes:

• The static pitch speed (33mph) is within the range of approximately 2.5 to 3 times the model's stall speed (13mph), which is considered ideal for good performance. ได้ความเร็วสูงขึ้นแล้ว
• With a wing loading of 8.2oz/sq.ft, a model of this size will have very sedate flying characteristics. It will be suitable for relaxed flying, in calm or very light wind conditions.
• The static thrust (10.5oz) to weight (17.6oz) ratio is 0.59:1, which will result in short take-off runs, and no difficulty taking off from grass surfaces (assuming sufficiently large wheels).
• At the best lift-to-drag ratio airspeed, the excess-thrust (5.7oz) to weight (17.6oz) ratio is 0.32:1, which will give strong climbs and rapid acceleration. This model will most likely readily loop from level flight, and have sufficient in-flight thrust for many aerobatic maneuvers. ได้แรงยกมากกว่าเดิม
  
  

พอถึงถ่าน 8 ก้อน คราวนี้ static pitch speed มากพอแล้ว แม้ wing load จะเพิ่มมากขึ้น จากน้ำหนักถ่านที่เพิ่มขึ้น แต่ก็ไม่เป็นปัญหา เพราะถ่านที่เพิ่มนั้นให้พลังในการขับเคลื่อนมากกว่า และอัตราแรงยก ต่อแรงฉุด ก็ดีกว่าเดิม อัตราส่วนที่เพิ่มขึ้น จะทำให้สามารถทำ loop จากการบินแนวระดับได้อย่างง่ายดาย

Comparison - SuperCub 380
Sea Level, 29.92inHg, 68ฐF

SuperCub 380 SuperCub 380 SuperCub 380 SuperCub 380 Motor Mabuchi RS-380SH-4045 Mabuchi RS-380SH-4045 Mabuchi RS-380SH-4045 Mabuchi RS-380SH-4045   Motor Constant (rpm/V) 2305 2305 2305 2305   No Load Current (A) 0.5 0.5 0.5 0.5   Armature Resistance (Ohms) 0.341 0.341 0.341 0.341           Battery Sanyo 700AAE Sanyo 700AAE Sanyo 700AAE Sanyo 700AAE   Series Cell Count 6 7 8 8   Parallel Cell Count 1 1 1 1   Cell Capacity (mAh) 700 700 700 700   Pack Capacity (mAh) 700 700 700 700   Cell Voltage (V) 1.2 1.2 1.2 1.2   Pack Voltage (V) 7.2 8.4 9.6 9.6   Cell Resistance (Ohms) 0.0125 0.0125 0.0125 0.0125   Pack Resistance (Ohms) 0.075 0.0875 0.1 0.1           Speed Control (ESC) Generic High Rate ESC Generic High Rate ESC Generic High Rate ESC Generic High Rate ESC   Resistance (Ohms) 0.003 0.003 0.003 0.003   Maximum Current (A) 0 0 0 0   Number of ESCs 1 1 1 1           Drive System MAS MAS MAS MAS   Gear Ratio 2.10:1 2.10:1 2.10:1 1.00:1   Propeller (in x in) 9x6 9x6 9x6 6x4   Series Motors 1 1 1 1   Parallel Motors 1 1 1 1   Number of Propellers 1 1 1 1   Blades per Propeller 2 2 2 2           Airframe SuperCub 380 SuperCub 380 SuperCub 380 SuperCub 380   Wing Span (in) 44 44 44 44   Wing Area (sq.in) 308 308 308 308   Total Weight (oz) 16.7 17.6 18.6 18.6           Static Predictions           Current (A) 5.9 7.0 8.0 8.5   Motor Voltage (V) 6.7 7.8 8.8 8.7   Input Power (W) 39.8 54.6 70.6 73.9   Input Power Loading (W/lb) 38.1 49.5 60.8 63.7   Power Loss (W) 16.9 24.2 32.8 36.8   Motor/Gearbox Output (W) 22.9 30.4 37.7 37.1   Output Power Loading (W/lb) 21.9 27.5 32.5 32.0   Motor/Gearbox Efficiency (%) 57.5 55.7 53.5 50.2   Shaft Efficiency (%) 53.8 51.4 48.9 45.6   Motor RPM 10274 11288 12137 11297   Propeller RPM 4893 5375 5780 11297   Static Thrust (oz) 7.5 9.0 10.4 7.4   Pitch Speed (mph) 27.8 30.5 32.8 42.8   Run Time (min:sec) 7:07 5:59 5:13 4:57           Flight Predictions           Stall Speed (mph) 13 13 14 14   Optimal Flight Speed (mph) 18 18 18 18   Throttle for Optimal (%) 64 57 52 49   Duration at Optimal (m:s) 27:42 29:43 30:50 26:29   Motor Temp at Optimal (ฐF) 81 82 83 87   Hands-off Speed (mph) 19 19 20 20   Throttle for Hands-off (%) 66 59 54 51   Duration Hands-off (m:s) 26:43 28:16 28:57 24:22   Motor Temp Hands-off (ฐF) 82 83 84 88   Best Rate of Climb (ft/min) 312 417 505 364   Rate of Sink (ft/min) -141 -145 -149 -149

Note: Motor performance calculations take ambient temperature and heating effects into account.

จากตาราง จะเห็นได้ว่าการเพิ่มถ่านจาก 6 ก้อนเป็น 8 ก้อนนั้น ทำให้ได้ อัตราการไต่เพิ่มขึ้นราว 60% จากเดิม (334 เป็น 537) ซึ่งแสดงว่าเครื่องบิน จะบินที่ถ่าน 8 ก้อนได้อย่างดีและมีพลัง

ส่วนตารางขวาสุดนั้น เป็นข้อมูลมอเตอร์ขับตรง สำหรับเปรียบเทียบครับ จะเป็นว่าขับตรงนั้น กินกระแสมากกว่า ความเร็ว เร็วกว่า แต่แรงฉุดน้อยกว่า

MotOpinion - SuperCub 380
Sea Level, 29.92inHg, 68ฐF

Motor: Mabuchi RS-380SH-4045; 2305rpm/V; 0.5A no-load; 0.341 Ohms.
Battery: Sanyo 700AAE; 8 cells; 700mAh @ 1.2V; 0.0125 Ohms/cell.
Speed Control: Generic High Rate ESC; 0.003 Ohms; High rate.
Drive System: MAS; 6x4 (Pconst=1.31; Tconst=0.95) direct drive.
Airframe: SuperCub 380; 308sq.in; 18.6oz; 8.7oz/sq.ft; Cd=0.057; Cl=0.61; Clopt=0.68; Clmax=1.24.
Stats: 64 W/lb in; 32 W/lb out; 14mph stall; 18mph opt @ 49% (26:29, 87ฐF); 20mph level @ 51% (24:22, 88ฐF); 364ft/min @ 13ฐ; -149ft/min @ -5.2ฐ.

Power System Notes:

• The full-throttle motor current at the best lift-to-drag ratio airspeed (8.5A) falls between the motor's maximum efficiency current (3.1A) and its current at theoretical maximum output (9.9A), thus making effective use of the motor.

Possible Aerodynamic Problems:

• The static pitch speed (43mph) is greater than 3 times the stall speed (14mph), which might make take-off or hand launching difficult, and is inefficient in flight unless very high speeds are intended.
• Pitch speed can be decreased by using a lower pitched and/or larger diameter propeller, a higher gear ratio, a lower cell count, or some combination of these methods.

Aerodynamic Notes:

• With a wing loading of 8.7oz/sq.ft, a model of this size will have very sedate flying characteristics. It will be suitable for relaxed flying, in calm or very light wind conditions.
• The static thrust (7.4oz) to weight (18.6oz) ratio is 0.4:1, which will result in medium length take-off runs, and no difficulty taking off from grass surfaces (assuming sufficiently large wheels).
• At the best lift-to-drag ratio airspeed, the excess-thrust (4.1oz) to weight (18.6oz) ratio is 0.22:1, which will give good climbs and acceleration. This is a good in-flight thrust to weight ratio for a basic trainer.